بدنه هواپیما از چه ماده‌ای ساخته شده است؟

در طول زندگی ، همه ما حداقل یک بار این سوال پیش آمده که چطور هواپیما از جنس فلز به قدری سبک است که می‌تواند پرواز کند. حتما داستان‌های زیادی از اختراع اولین اشیا پرنده به دست انسان‌ها شنیده‌اید. بدنه اولین هواپیماها در تاریخ بشریت از جنس چوب، الیاف و سیم ساخته شد. اما استفاده از این مواد تنها مربوط به دوره‌ای است که دانش بشر هنوز به دنیای بزرگ و متنوع فلزات پی نبرده بود. اولین پرواز موفق یک هواپیمای تمام فلزی با نام Junkers J1 در منطقه غربی آلمان انجام شد و باعث اولین انقلاب بزرگ در صنعت هوانوردی شد. در آن زمان به دلیل ناشناخته ماندن خواص شگفت‌آور فلزات، تصور بر این بود که بدنه‌ هواپیما را تنها از مواد سبکی مثل چوب می‌توان ساخت و ساخت یک شی پرنده از ماده‌ای سنگین مانند فلز غیر ممکن است. اما هواپیمای تمام فلزی J1 در همان زمان از جنس فلز فولاد ساخته شد!

بدنه هواپیما از اجزای بسیار مهم این سازه به شمار می‌رود و قسمت اعظم ساختمان آن را تشکیل می‌دهد. در این مقاله از چگونگی جهش صنعت هوانوردی به سوی فلزات برای استفاده در بدنه هواپیما، فلزات مورد استفاده در ساخت آن و قیمت مواد اولیه مورد نیاز صحبت خواهیم کرد.

استفاده از فلز در بدنه هواپیما چطور ممکن شد؟

زمانی همه طراحین و مهندسینی که در ساخت یک هواپیما دخیل بودند، بر این مسئله اتفاق نظر داشتند که استفاده از فلزات در ساخت بدنه هواپیما غیرممکن است. اولین اصل در ساخت اشیاء پرنده، کم‌وزن‌بودن آن است؛ اما در آن زمان تنها ماده سبک شناخته شده، چوب بود. با این حال علاوه بر سبک بودن، استحکام بالا و ایمنی نیز از اصول طراحی هواپیما به شمار می‌رود. مناسب بودن قیمت ورق آلومینیوم در کنار خواصی مانند سبکی و استحکام بالا، آن را تبدیل به مناسب‌ترین جایگزین چوب کرد. بنابراین فلزات اولین و مناسب‌ترین جایگزین برای مواد چوبی بودند. زیرا قابلیت رفع نیاز‌های زیادی از جمله استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت، خمش و تغییرات دمایی، شکل‌پذیری و غیره را داشتند. این جایگزینی موجب جلوگیری از مصرف بی‌رویه چوب و آسیب به محیط زیست می‌شد.

پروفسور هوگو یونکرس (Hugo Junkers) اولین کسی بود که بر خلاف بقیه به امکان‌پذیری استفاده از فلز در ساخت بدنه هواپیما اعتقاد داشت. در آن زمان هواپیما تنها برای جنگ و مسابقات استفاده می‌شد؛ اما پروفسور یونکرس پیش‌بینی درستی از آینده صنعت هواپیما داشت و معتقد بود حمل و نقل مسافر و کالا با استفاده از هواپیما صورت خواهد گرفت و چنین توانایی از عهده یک هواپیمای چوبی و کوچک خارج است. نوآوری‌های طراحی و مهندسی که یونکرس در ساخت هواپیمای خود به کار برد، هنوز و همچنان در طراحی‌های امروزی رعایت می‌شود. با اینکه در آن زمان آلیاژ دورآلومین (یکی از آلیاژهای آلومینیوم سری 2000 که در سال 1919 ساخته شد) شناخته شده و با توجه به قیمت ورق آلومینیوم، استفاده از این فلز گزینه مناسب‌تری محسوب می‌شد، اما از فلز فولاد برای ساخت اولین هواپیمای تمام فلزی استفاده شد که 900 کیلوگرم وزن داشت. هواپیمای تک نفره J1 به تولید انبوه نرسید اما رسالت خود را انجام داد و باعث دگرگونی صنعت هوانوردی شد. تا جایی که دو سال بعد هواپیما با بدنه آلومینیومی و به همین سبک طراحی و ساخته شد. علم و فناوری در این صنعت جایگاه ویژه‌ای دارد. به طوری‌که هر سال یک فناوری جدید در ساخت آلیاژهای سبک و مناسب برای استفاده در بدنه هواپیما اختراع شده و کاربردی می‌شود.

فلزات و آلیاژهای مورد استفاده در بدنه هواپیما باید چه ویژگی‌هایی داشته باشند؟

همان‌طور که ذکر شد اولین فلزی که در صنعت هوایی و در بدنه هواپیما استفاده شد، فولاد بود. با وجود اینکه قیمت ورق آهن در کنار استحکام بالای آن، می‌تواند به عنوان نقطه قوت آن محسوب شده و مورد استفاده گسترده در بدنه هواپیما قرار بگیرد؛ اما وزن بالای آن مانع چنین کاربردی می‌شود. فلز سبک به فلزی گفته می‌شود که چگالی نسبی آن کم باشد. کشف و ساخت فلزات سبک علاوه بر صنعت هوانوردی و هوافضا در صنعت ساخت و ساز و پزشکی نیز تحول ایجاد می‌کند. به همین دلیل این فلزات از اهمیت تجاری بالایی برخوردارند. تا جایی‌که دانش و تکنولوژی در این حوزه به سرعت در حال تغییر و پیشرفت است. از مهم‌ترین شاخصه‌های پیشرفته و تکنولوژیک بودن یک کشور، در سرعت پیشرفت دانش آن در ساخت فلزات سبک و کارا خلاصه می‌شود. فلزات آلومینیوم و منیزیم از سبک‌ترین فلزات شناخته شده هستند. تیتانیوم و برلیوم نیز از دیگر فلزات سبک شناخته شده هستند که قیمت بالاتری نسبت به منیزیم و آلومینیوم دارند. زیرا آلومینیوم فراوان‌ترین فلز و سومین عنصر فراوان در پوسته زمین است و بنابراین قیمت آن، نسبت به فلزات دیگر ارزان‌تر است. اما منیزیم و تیتانیوم به ترتیب هشتمین و نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین به شمار می‌روند. همچنین منیزیم در آب دریا نیز فراوان است و یکی از منابع تهیه آن محسوب می‌شود. به همین ترتیب برلیوم که نسبت به بسیاری از فلزات کمیاب‌تر است، در رده 48 بین تمامی فلزات قرار می‌گیرد. ترکیب سبکی، استحکام و کارایی آلومینیوم، آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت هواپیماهای تجاری تبدیل کرده است. از آن جایی‌که در ساخت بدنه هواپیما، وزن عامل کلیدی به شمار می‌رود، ترجیح بر استفاده از فلزاتی است که دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی باشند تا از این طریق بدنه هواپیما نیاز به رنگ کردن نداشته باشد و چند صد کیلوگرم در وزن آن صرفه‌جویی شود.

با پیشرفت علم متالورژی، مواد و آلیاژهای فلزی، با توجه به نیازهای صنایع هوافضا، جنس سازه‌های هوایی هم تغییرات زیادی پیدا می‌کند. یک سازه هوایی باید استحکام بسیار بالا جهت کار در شرایط پروازی مختلف و تحمل فشارهای ناشی از پرواز در ارتفاع بالا را دارا باشد. ترکیب فلز خالص آلومینیوم با برخی فلزات دیگر می‌تواند در عین حفظ سبکی، منجر به تقویت خواص ضدخوردگی و استحکام آن شود. تا جایی‌که استحکام آلیاژهای آلومینیوم شش تا 10 برابر استحکام آلومینیوم خالص است. در ادامه به شرح آلیاژهای مختلف آلومینیوم مورد استفاده در صنایع هوایی می‌پردازیم.

انواع آلیاژهای آلومینیومی مورد استفاده در صنایع هوایی

با توجه به ابعاد، ضخامت، عناصر آلیاژی به کار رفته و عملیات حرارتی یا مکانیکی که نیاز است صورت بگیرد، قیمت ورق تعیین می‌شود. به همین دلیل انواع ورق با توجه به فلز سازنده آن قیمت‌های مختلفی دارند. این آلیاژها به دو گروه بزرگ آلیاژهای ریختگی و آلیاژهای کارپذیر یا نوردی تقسیم می‌شوند. آلیاژهای نوردی بیش از 80 درصد حجم کل آلیاژهای مصرفی آلومینیوم را به خود اختصاص می‌دهند. این آلیاژها بر اساس استاندارد Associatian Aluminium به هشت گروه 1xxx تا 8xxx بر اساس نوع فلزات تشکیل‌دهنده تقسیم می‌شوند. این دسته از آلیاژها از طریق کار مکانیکی به شکل مورد نظر درمی‌آیند. برخی از آلیاژهای این دسته قابل عملیات حرارتی نیستند و برخی دیگر می‌توانند با اعمال عملیات حرارتی خاصی تقویت شوند.

اما آلیاژهای ریختگی آلومینیوم، آلیاژهایی هستند که با استفاده از روش‌های مختلف ریختگی به شکل مورد نظر دست می‌یابند. در میان آلیاژهای این دسته نیز، هم انواع غیرقابل ریخته‌گری و هم انواع قابل ریخته‌گری وجود دارد. آلیاژهای ریختگی با استفاده از استاندارد AA نامگذاری می‌شوند. به این طریق که با یک عدد چهار رقمی که بین ارقام سوم و چهارم از سمت چپ یک نقطه قرار می‌گیرد، شناخته می‌شوند.

آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در بدنه هواپیما به عنوان پوسته بدنه و تقویت‌کننده بدنه، از گروه آلیاژهای آلومینیوم نوردی یا کارپذیر انتخاب می‌شوند. در زیر به شرح خواص و ویژگی‌های سه دسته آلیاژ آلومینیوم نوردی مورد استفاده در بدنه هواپیما می‌پردازیم.

• آلیاژ آلومینیوم سری 2000: این دسته از آلیاژها، از ترکیب دو فلز اصلی آلومینیوم و مس تشکیل می‌شوند که افزودن عناصر آلیاژی دیگر سبب ایجاد انواع آلیاژهای سری 2000 می‌گردد. استحکام و سختی بالا، جوش پذیری مطلوب، مقاومت به شکستگی بالا و قابلیت ریختگی پایین از جمله مهم‌ترین خواص این گروه است. نقره و منیزیم از عناصر آلیاژی هستند که سبب بهبود خواص این گروه از آلیاژها می‌شوند. 2074،2098، 2024، 2198، 2196، 2195 از جمله آلیاژهای پرکاربرد این گروه در ساخت بدنه هواپیما هستند.

• آلیاژ آلومینیوم سری 6000: افزودن عناصر آلیاژی منیزیم و سیلیسیوم به آلومینیوم سبب ایجاد آلیاژهای این گروه می‌شود. از ویژگی‌های این سری آلیاژها می‌توان به استحکام متوسط، نرمی و شکل‌پذیری بالا، مقاومت به خوردگی بالا و جوش‌پذیری خوب اشاره کرد. آلیاژهای 6056 و 6156 از این دسته مورد استفاده در بدنه هواپیما هستند.

• آلیاژ آلومینیوم سری 7000: این سری از آلیاژها از ترکیب فلز آلومینیوم و روی همراه با عناصر آلیاژی دیگر تهیه می‌شوند. در میان تمام سری‌های آلیاژ آلومینیوم، این دسته از آلیاژها دارای بیشترین استحکام و مقاومت به خستگی هستند. اما مقاومت به خوردگی و جوش‌پذیری آن‌ها از دسته‌های دیگر کمتر است. 7040، 7140 و 7349 از جمله آلیاژهای این گروه هستند که در ساخت بدنه هواپیما به کار می‌روند.

دیگر آلیاژهای مورد استفاده

آلومینیوم با وجود مزایا و کاربردهای فراوانی که دارد، در تمام شرایط هوایی کاربردی نیست. برای مثال در بدنه هواپیماهای سرعت بالا نمی‌توان از آلومینیوم استفاده کرد. زیرا استحکام آلومینیوم هم مانند بسیاری از فلزات با افزایش دما کاهش می‌یابد و همچنین این فلز مقاومت کمی در برابر خستگی که در اثر اعمال نیروی نوسانی ایجاد می‌شود، دارد. به همین دلیل برای جبران این ضعف‌ها از فلزات دیگری در کنار آلومینیوم استفاده می‌شود.

• تیتانیوم: آلیاژهای تیتانیوم وزن بالاتری به نسبت آلیاژهای آلومینیوم دارند، اما بسیار مستحکم هستند. در اسکلت آلومینیومی بدنه هواپیما، نقاطی وجود دارند که با توجه به نیروهای وارده، نسبت به رشد ترک حساسیت بیشتری دارند. در چنین نقاطی از تیتانیوم برای جلوگیری از رشد ترک استفاده می‌شود. به عنوان مثال به صورت یک حلقه یا نوار باریک بر روی اسکلت قرار می‌گیرد تا از بزرگ شدن ترک‌ها جلوگیری شود. از تیتانیوم به علت کمیابی، قیمت بالا و همچنین وزن بالاتر نسبت به آلومینیوم، برای ساخت پوسته یا قسمت خارجی بدنه استفاده نمی‌شود.

• کامپوزیت‌ها: کامپوزیت موادی مرکب از چند ماده است، به طوری که استحکام ماده نهایی از استحکام تک‌تک اجزای آن بسیار بالاتر باشد. کامپوزیت‌ها در سه نوع زمینه فلزی، زمینه پلیمری و زمینه سرامیکی تولید می‌شوند؛ که نوع زمینه سرامیکی آن بیشترین کاربرد را در صنعت هوافضا دارند. این مواد دارای استحکام بالا، وزن مخصوص کم و مقاومت سایشی بالایی هستند. استفاده از کامپوزیت‌ در بخش‌های مختلف هواپیما علاوه بر کاهش وزن به افزایش استحکام آن نیز کمک می‌کند. کامپوزیت الیاف کربن بیشترین کاربرد را در بدنه هواپیما داراست.

• فولاد: به علت وزن بالا، این فلز کاربرد بسیار محدودی در ساخت بدنه هواپیما دارد. با این حال در برخی قسمت‌های اسکلت هواپیما کاربرد زیادی دارد.

تاثیرات قیمت ورق آلومینیوم بر صنعت هواپیمایی

آلومینیوم به صورت خاص در طبیعت بسیار نایاب است. ترکیبات آلومینیوم موجود در طبیعت در منابع مختلفی مانند سنگ‌های آذرین و سنگ‌های رسوبی یافت می‌شود. مهم‌ترین کانی تجاری آلومینیوم بوکسیت نام دارد که مخلوطی از هیدروکسید آلومینیوم، هیدروکسید آهن، اکسید تیتانیوم و کائولین است. در ایران ذخایر بوکسیت در آباده، جاجرم و… وجود دارد. در حال حاضر بیش از 98 درصد آلومینای دنیا از بوکسیت تهیه می‌شود. فرآیند استخراج آلومینیوم از بوکیست نیاز به انرژی بسیار زیادی دارد؛ تا جایی که کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاه‌های برق مخصوص در اطراف خود هستند. پس از استخراج آلومینیوم خالص مانند ورق سیاه و دیگر محصولات فلزی، برای به دست آوردن شمش و یا ورق آلومینیوم نیاز به طی مراحل و فرآیندها و صرف انرژی داریم. علاوه بر این بستگی به نوع ورق آلومینیوم، فلزاتی مانند روی، مس، سیلیسیوم، منیزیم و تیتانیوم طی فرآیندهای خاصی به آن اضافه می‌شوند. بنابراین قیمت ورق آلومینیوم آلیاژی، به قیمت فلزات دیگری که ذکر شد هم وابسته است. بخش اعظم یک هواپیما را فلز، آلیاژها و ورق آلومینیوم تشکیل می‌دهد و بدیهی است که هرگونه تغییر در قیمت مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت، روی قیمت ورق سیاه، قیمت ورق آلومینیوم و در نهایت قیمت هواپیما نیز تاثیرگذار است. برای  مطالعه بیشتر در این زمینه می‌توانید به مقاله رابطه تحریم با قیمت ورق مراجعه فرمایید.

جمع‌بندی

همان‌طور که ذکر شد، برای ساخت بدنه هواپیما نیاز به فلزات سبک با استحکام بسیار بالا است. هر چند فلزات سبک‌تر از آلومینیوم نیز وجود دارند، اما فراوانی منابع آلومینیوم، سهولت استفاده و ساخت، آن را به به فلز برتر برای صنایع هوایی و در حجم گسترده تبدیل کرده است. ویژگی‌های مورد نیاز در طراحی سازه‌های هوایی، با ساخت آلیاژهای آلومینیوم تامین شد. امروزه عمده ماده مورد استفاده در بدنه یک هواپیما، آلومینیوم و آلیاژهای خاصی از آن است. بنابراین می‌توان گفت صنعت ساخت هواپیما به طور کامل به فلز آلومینیوم و ورق آلومینیوم وابسته است. هر چند با گسترش و پیشرفت علم متالورژی مواد و آلیاژهای جدید و با قابلیت‌های کاربردی‌تری اختراع می‌شوند که سعی می‌شود هزینه‌های تولید پایینی داشته باشند تا بتوانند جایگزین آلومینیوم شوند.

رپورتاژ خبری